水資源短缺一直是一個限制經(jīng)濟和社會發(fā)展的致命難題。但大家也許有所不知的是，造成短缺的原因并非是水資源本身的匱乏，而是嚴重的水污染導致可利用的水資源變得彌足珍貴。
圖丨新發(fā)明的微型機器人在水中游動
眾所周知，機器人變革著人類社會，而微型機器人或許能為我們在污水中清除污染物和致病菌。就在幾天前，這類機器人已經(jīng)不再是天馬行空了!刊登在《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志上的一項最新發(fā)明用簡單的化學方法將其變?yōu)榱爽F(xiàn)實。
該發(fā)明團隊源于德國馬克思普克朗研究所的智能系統(tǒng)研究部門(Max-Planck Institute for Intelligent Systems)。馬克思普克朗研究所以德國物理學家馬克思˙普克朗命名，出過 33 位諾獎得主，以及各領域精英，也為我國培養(yǎng)了一批科研大牛。形象的說，馬普所是歐洲學術諸神的老巢。
而微型機器人的研究由兩位科學家 Diana Vilela 和 Samuel Sánchez Ordó?ez 所領導。他們對受污染的水資源有著創(chuàng)新性的見解。
圖丨馬克思普克朗研究所的智能系統(tǒng)部門。馬克思普克朗學會出過33位諾獎得主，以及各領域精英，也為我國培養(yǎng)了一批科研大牛
應對受污染的水源，傳統(tǒng)的做法往往是使用氯或者其它消毒劑來進行消毒，但這樣一來，固然細菌是可以被殺死，但它們的遺體仍舊會留存在水中，而且高濃度消毒劑所產(chǎn)生的副作用也會對人體造成一定的危害。
于是，研究人員想到了近年來在環(huán)境科學領域表現(xiàn)不凡的微型馬達 (micromotor)，它們利用簡單的分子系統(tǒng)或化學機制，能夠環(huán)境中實現(xiàn)自我推動。稍加改造，就可以制造出在水中吸附有機物、重金屬等污染物質簡單靈巧的微型機器人。
圖丨納米銀微型機器人想象圖
研究團隊于是設計了這款具有納米銀涂層的球狀微型機器人(Janus microbots decorated with silver nanoparticles)。
簡而言之，這是一個直徑為 15 微米的球狀顆粒，它的一側表面為鎂，用于與水反應產(chǎn)生氫氣小氣泡來推動整個機器人的行進。而另外一面則依次附上了鐵涂層、金涂層，和最表面的納米銀粒子，細菌一旦附著于球體表面，就會具有殺菌功效的納米銀殺死。
ACS Applied Materials & Interfaces對納米銀微型機器人的簡介
實驗室的測試表明，機器人能在水中工作 15 至 20 分鐘，能夠清除 80% 以上的大腸桿菌。大腸桿菌是科學家研究最透徹的一種細菌，也是人體器官中多種感染的致病菌之一，在食物和水體中常見。所以，我們需要找到清除該類細菌的高效方法。
同時，在使用結束之后，操作人員可以很方便的用磁鐵將這些機器人從水中取出，也能順便把死去的細菌脫出水體。
圖丨大腸桿菌電鏡照片
那么這種微型機器人到底是如何工作的呢?它如何實現(xiàn)自我推動?如何實現(xiàn)殺菌?
正如上文所述，機器人的“推動燃料”是其尾部的金屬鎂。在水中，鎂會與水分子反應生成鎂離子、氫氧根和氫氣，其化學式如下(初中內(nèi)容，大家可以感受一下有多簡單)。接著，這些氫氣會以小氣泡的形式從球體機器人尾部冒出來，從而推動機器人無規(guī)則游動。
而其殺菌功效主要來自納米銀微粒。在接觸到細菌細胞膜時，納米銀能夠釋放對其有害的銀離子，而細胞膜偏酸性的 pH 值則能加速銀離子的釋放，并使其附著于細菌表面。接著，銀離子就會與細菌蛋白質中的硫醇基結合，并迅速破壞細胞膜的滲透性。最終，使細菌會溶解并死亡。
拋開細節(jié)不說，大家可以從淺顯易懂的角度考慮——我們生活中經(jīng)常使用銀作為飾品、容器，就是源于該金屬的殺菌功效。而該研究吧銀制成納米級的顆粒物，則大大增加了其反應面積和速度，提高了對細菌的殺傷力。
圖丨細菌被銀離子殺死
況且，細菌喜歡附著于金屬表面。其細胞膜上的負電荷與金屬表面存在相互作用(包括靜電作用和范德華力)這樣的性質使得球體頭部的金涂層對細菌有了吸附的作用，最終分散在金涂層表面的納米銀得以一展身手。
而且，微型機器人的制備也并不復雜，說白了就是在鎂金屬球上裹上一層一層的涂料。
圖丨納米銀微型機器人的制備過程
具體而言，就是 1) 先制備出若干直徑為15微米左右的鎂金屬球，2) 然后將其放置玻璃片上，用金屬蒸鍍機分別鍍上一層14納米厚的鐵和35納米厚的金。3) 為了在化學層面上調整金涂層表面， 這些金屬球接著會被放入半胱胺鹽酸鹽的乙醇溶液中。4) 最后，納米銀顆粒與通過涂層表面的銨根附著，固定在球體前部，微型機器人就大功告成了。
制成后，科學家還對球狀機器人進行了一系列的測量。在電鏡照片中(下圖左)，球體上鍍有納米銀和其他物質的一端和只有金屬鎂裸露的一端都清晰可見;而X光能譜(下圖右)則反映了球體上每種元素的分布狀況，如圖所示——鎂元素含量最高，金元素第二，其實納米銀只有一點點。
下圖是根據(jù) X 光能譜繪制的元素分布圖，描述了每種元素在球體上的分布，其順序為：鎂、金、鐵、銀。從圖中我們能看到，鎂在整個球體上均勻分布，而其他的元素則只占用于殺菌的一端，不愧是名副其實的“兩面派”。
圖丨根據(jù)X光能譜繪制的元素分布圖，其順序為：鎂、金、鐵、銀
在機器人的工作完成之后，科學家通過熒光活性造影技術探查了水體的殺菌情況，上排綠色部分為存活細菌，而下排紅色部分為死亡細菌。
測試包含了純凈水、純納米銀微粒、和納米銀微型機器人三個對照組;很明顯，純凈水中絕大部分細菌存活，純納米銀溶液出現(xiàn)了一定量的死亡細菌，而納米銀微型機器人成功地殺死了絕大部分細菌。說明這種機制確實能將金屬銀的殺菌功效提高百倍。
圖丨熒光活性造影技術對活細菌和死細菌的成像，綠色為存活細菌，紅色為死細菌;從左到右依次為：水、純納米銀顆粒、納米銀微型機器人
另一組熒光活性造影圖像則體現(xiàn)了各層金屬的功效?？茖W家分別把幾種對照金屬顆粒和微型機器人和放入污水中，并測試其周圍的細菌進行熒光成像。
在沒有加入納米銀加入的情況下，大量活細菌就粘附于鎂、鐵和金等金屬之上，體現(xiàn)了這些材料對細菌的吸引機制。在只有納米銀的情況下，圖中開始出現(xiàn)死去的細菌;事實證明，把具有粘附作用的鐵、金涂層和納米銀結合起來的機器人完全體簡直就是神器，周遭一片紅，死傷無數(shù)啊……
圖丨對幾顆粒物的熒光活性造影：普通金屬對細菌具有吸附作用，納米銀具有殺傷作用
而為了凈化污水，小機器人需要在各種環(huán)境中工作。于是，研究者將其置于pH值不同的水中測試其游動情況。
由于機器人靠鎂和氫氧根反應推動，在鎂元素耗盡之時其壽命也就結束了。實驗證明機器人在酸性的環(huán)境下游動最快，pH=5.0時速度為27μm每秒，而隨著pH的增長速度下降，在pH=6.5時只能達到6μm每秒。
相對應地，鎂元素消耗得約快，因此小機器人壽命越短。pH=5.0時其壽命只有12分鐘，而pH=6.5時長達20分鐘。
圖丨水體pH值與機器人游速的關系(左)和pH值與持續(xù)時間的關系(右)
同時，科學家描繪了小機器人在pH值不同的溶液中的運動軌跡，測量間隔為10秒鐘。酸性酸性溶液中的小機器人明顯運行距離較遠。
圖丨不同pH值下機器人在10秒鐘內(nèi)游過的路徑
另一組有關水體本身的對照試驗顯示，細菌在磷酸鹽溶液中更容易存活，而在純水中則難以獲得養(yǎng)分，這說明微型機器人在供人飲用的純水中效果更佳。
但是，微型機器人的反應過程中會不可避免的產(chǎn)生其他金屬離子?？紤]到其主要推動力是鎂和氫氧根的反應，生成物中會有大量的鎂離子，且因為其間也有鐵的涂層，水中也殘留了一定量的鐵離子。
不過不用擔心，這些殘留物都嚴格控制在世界衛(wèi)生組織(WHO)對飲用水的標準之下，也就是鎂離子10-50mg/mL和鐵離子的0.3mg/mL。然而目前還沒有對金離子的明確標準(金本身也很難被氧化，所以水中少有金離子)。
圖丨WHO對水中金屬元素的標準
至于主要殺菌劑銀離子，WHO對正常飲用水中銀離子的標準是少于0.005μg/mL，但對于存在需要殺菌處理的污染飲用水標準為0.1μg/mL，而這款小機器人成功地達到了這一要求。
無論如何，這樣一款原理易懂、制造簡單的機器人，居然能在污水處理上大顯身手，再次見證了工程師大神們的腦洞。
其實，發(fā)明創(chuàng)造離我們并不遠，就像這個利用了金屬與水反應原理工作的機器人告訴我們，初高中知識也可以成為創(chuàng)新的基石。希望科學家能夠再接再厲，繼續(xù)用腦洞改變世界。
來源:DeepTech深科技
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